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  (原标题:睁开“慧眼”,科学家要浇灌天文学的“参天大树”)

美丽的星空让人类一直倍感好奇。手绘/贺萌

  新华社北京6月16日电(记者全晓书 喻菲 屈婷)中国科学院粒子天体物理重点实验室主任张双南打过一个比方,中国的很多学科都已走在世界前沿,但天文学是一个“大坑”;不过,幸运的是,这个“大坑”里还长着两棵树,一棵是高能天体物理,一棵是引力波。

  作为近日发射升空的中国首颗X射线天文卫星“慧眼”的首席科学家,张双南希望,中国能继续沿着X射线天文这个方向走,并逐步浇灌出一棵“参天大树”。

  “慧眼”全称硬X射线调制望远镜(简称HXMT)卫星,将对黑洞、中子星等天体展开观测,它的发射运行将使中国在空间X射线观测领域占有一席之地。“我们在这个方向上已经有了一定基础,有仪器,有人才,如果再发展出更好的观测手段,就有可能跟欧洲并驾齐驱,甚至和美国一较高下。”张双南说。

这是HXMT卫星模拟示意图。(来源:中科院高能物理研究所)

  这位天体物理学家指出,中国在基础科学的研究方面至少比欧美落后了数十年,差距还是非常大的。“既然无法全面竞争,那么就在做得比较好的领域重点突破。全面开花,开的都是些不起眼的小花,还不如开出几朵非常漂亮的玫瑰花。”

  eXTP,下一朵玫瑰

  本着“有所为有所不为”和“加强优势领域实现重点突破”的原则,张双南和他的团队于2007年提出了X射线时变与偏振探测卫星(简称XTP)的设想。作为HXMT卫星的后续项目,它将实现从具有特色的小型空间天文台到国际领先的大型空间天文台的战略突破。

  “在下一颗X射线天文卫星上,我们不仅要使用聚焦技术,而且要把聚焦的面积做大,这将是一个巨大的跨越。”张双南说。

  目前,聚焦型X射线望远镜的主要问题是面积比较小,如果口径太大,焦平面探测器可能来不及分辨到来的每一个X射线光子,这也导致其无法观测亮源。在张双南的构想中,XTP卫星上将安装十几个小一点的望远镜,单个望远镜看亮源光子之间也不混淆,十几个望远镜加在一起又能大幅提升灵敏度。

  同时,下一颗卫星将打开一扇新的观测窗口——偏振。“以前,大家只测量到达光子的时间和能量。以后,我们还要测量它的偏振。偏振是研究超强磁场和超强引力场一个非常好的工具。”张双南说。

  2012年至2015年,XTP背景型号获得中科院空间科学先导专项支持。在背景型号的研究过程中,欧洲的一个科学团队加入了XTP项目,并计划贡献大面积X射线准直望远镜和广角监视器。由此,项目的名称改为eXTP,也就是“增强型XTP”的意思。

eXTP卫星示意图。(来源:中科院高能物理研究所)

  由于集合了大面积聚焦望远镜阵列、大面积准直望远镜阵列和高灵敏度偏振望远镜,eXTP相比于之前的X射线天文卫星,综合性能将有一个数量级的提高。它的核心科学目标包括精确测量黑洞自转以及研究极端引力条件下的时空,检验极端引力条件下的广义相对论;精确测量脉冲星的质量和半径,鉴别中子星和夸克星,检验极端密度条件下的量子色动力学;精确测量量子电动力学预言的极强磁场中的真空双折射效应,检验极端磁场条件下的量子电动力学。

  “此外,eXTP在观测研究各类高能天体、探测伽马射线暴和引力波暴电磁波对应体等多个天文学前沿方向都具有明显优势,将推动我国空间X射线天文学进入国际领先行列。”张双南说。

  据悉,eXTP项目已经吸引了欧洲十几个国家参与其中,包括德国、意大利、英国、西班牙、法国、瑞士、丹麦等。eXTP有可能成为中国发起和领导的、由最多发达国家实质性参加的大型国际合作科学研究项目。

  镜面,要攻克的难题

  要研制下一代聚焦型X射线望远镜,就要攻克镜面制造这个难题。因为X射线的波长极短,能量很高,所以它不会像可见光那样在镜面上发生反射或折射而聚焦成像,而是会像一粒粒“炮弹”一样,直接砸在镜面上或者穿透镜面而过。能量越高,“炮弹”的穿透能力就越强。

  1952年,德国科学家沃尔特发明设计了掠射式镜面,其原理和站在湖边打水漂十分类似:一方面,风平浪静的水面容易打出漂亮的水漂;另一方面,选择扁平的瓦片,尽量俯下身去,出手时与湖面的夹角越小,就越容易打出漂亮的水漂。掠射式镜面能让X射线反射聚焦的奥妙就在于镜面的粗糙度足够低,同时X射线入射时与镜面的夹角足够小。

  1999年,美国发射了具有里程碑意义的钱德拉X射线天文卫星,其所用的掠射式聚焦系统可以对10千电子伏(keV)以下的软X射线实现聚焦成像。钱德拉卫星的镜面极其光滑,其表面粗糙度大约只有几层原子的厚度。如果将其镜面放大到地球一样大小,那么,镜面上最高的“山峰”也只有不到2米。2012年,美国发射的NuSTAR卫星实现了硬X射线聚焦成像,在将能量范围推高到79keV的同时,也将镜面制造工艺推向了一个新高度。

  目前,国内尚不能制造这种适用空间X射线天文观测的镜面。张双南希望通过eXTP项目,带动中国相关工业提升技术水平。

  HXMT首席科学家张双南。(来源:中科院高能物理研究所)

  “虽然科学很重要,但也很昂贵。而中国毕竟是个发展中国家,所以,尽管从国外采购先进的仪器或许能够得到更好的科学产出,但我不愿意那么做。科学投入,既要看长期回报,也要讲短期回报,那些对技术有带动的事情我们要重点去做。”张双南说。

  梦想,在宇宙更深处

  要浇灌出一棵“参天大树”,当然不能止步于eXTP。“HXMT主要研究银河系内的天体;eXTP会对河内的部分天体进行精细研究,同时也会对邻近宇宙展开观测;再下一步,我们就想把研究范围扩展到整个宇宙。”张双南说。

  宇宙中的很多问题,都有待更先进的X射线望远镜来解决。

  张双南解释说,一方面,宇宙中大结构之间的碰撞、黑洞的成长演化都会产生X射线,需要X射线望远镜去观测;另一方面,宇宙中绝大部分的物质是以高温等离子体的形式存在的,它们产生的也是X射线,所以只有在X射线波段才能把这些物质观测清楚。

  这张手绘图表现了透过X射线天文卫星,我们将看到宇宙狂野、暴躁的一面。(手绘贺萌)

  这其中有一个重要的谜题——重子缺失问题。“根据目前的宇宙演化模型,宇宙中有68.3%是暗能量,26.8%是暗物质,另外还有4.9%是我们可以观测到的物质,叫重子物质。但是,科学家们找了又找,怎么也找不到这4.9%的重子在哪儿!在遥远的宇宙空间中,重子差了不到一半。而在我们邻近的宇宙中,重子就差得更多了。有一种解释是,这部分物质不发出可见光,所以看不到,但是会产生X射线。如果有了更先进的X射线望远镜,或许就能把它们找出来。”张双南说。

  “我们现在要开始研制eXTP了,但同时也要发展下一代技术。eXTP的下一代望远镜仍会采用聚焦的技术,但它的焦平面探测器会非常特别;视场要大,因为我们要研究整个宇宙。”张双南说。

  (编辑:刘恺)


来源:嘉兴在线—嘉兴日报    作者:摄影 记者 冯玉坤    编辑:李源    责任编辑:胡金波
 
 
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